有翼芯片：人類有史以來最小的飛行結構，只有一粒沙那麼大
據外媒報導，西北大學的工程師為電子微芯片增加了一種新的能力：飛行。 據瞭解，這種微芯片大概只有一粒沙子大小，另外它沒有馬達。 相反，它在風中捕獲飛行–很像楓樹的螺旋槳種子–並像直升機一樣在空中向地面旋轉。
工程師們通過研究楓樹和其他類型的風散種子優化了微型飛行器的空氣動力學以確保它–當在高海拔地區下降時–以一種可控的方式以緩慢的速度下降。 這種行為穩定了它的飛行、確保在廣泛的區域內散佈並增加了它與空氣互動的時間，這些使得它使成為了監測空氣污染和空氣傳播疾病的理想選擇。
作為人類有史以來最小的飛行結構，這些微型飛行器還可以裝上超小型化的技術，包括感測器、電源、用於無線通信的天線和存儲數據的嵌入式記憶體。
西北大學的John A. Rogers表示：「我們的目標是為小規模的電子系統增加飛翼，其想法是這些能力將使我們能夠分發高功能的小型化電子設備以感知環境的污染監測、人口監測或疾病跟蹤。 我們能利用從生物世界中獲得的靈感做到這一點。 在數十億年的過程中，自然界已經設計出具有非常複雜的空氣動力學的種子。 我們借用了這些設計理念，對其進行了調整並將其應用於電子電路平臺。 ”
“我們認為我們打敗了自然”
大多數人都看過楓葉的螺旋槳種子在空中旋轉然後輕輕地落在人行道上。 這隻是一個例子，說明大自然是如何進化出巧妙、複雜的方法來提高各種植物的存活率的。 通過確保種子廣泛傳播，原本定居的植物和樹木可以遠距離繁殖以在廣闊的地區定居。
“進化很可能是許多種類種子所展現出的複雜空氣動力學特性的驅動力，”Rogers說道，”這些生物結構被設計成以一種可控的方式緩慢下降，因此它們可以跟風的模式相互作用儘可能長時間。 這一特點通過純被動的、空氣中的機制最大限度地實現了橫向分佈。 ”
為了設計這種微型飛行器，西北大學的研究小組研究了許多植物種子的空氣動力學，最直接的靈感來自於三星藤–一種有星形種子的開花藤蔓植物。 這種種子有葉片狀的翅膀，可以抓住風並慢慢地旋轉。
Rogers和他的團隊設計並製造了許多不同類型的微型飛行器，其中包括一種有三個翅膀的飛行器，優化后的形狀和角度跟三星藻種子上的翅膀相似。 為了確定最理想的結構，Huang領導了全尺寸計算模型，其類比了設備周圍的空氣流動，這樣就能類比三星藤種子緩慢的、可控的旋轉。
基於這種模型，Rogers的團隊隨後跟伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校機械工程副教授Leonardo Chamorro合作，他們使用先進的成像和定量流動模式的方法在實驗室中建造並測試了結構。 由此產生的結構可以形成各種各樣的大小和形狀，有些結構的性質可以跟自然媲美。
“我們認為我們戰勝了自然，”Rogers說道，”至少從狹義上講，我們已經能夠建造出比你在植物或樹木上看到的相同種子更穩定的軌跡和更慢的終端速度的結構。 我們也能夠建造這些直升機飛行結構比在自然界中發現的要小得多。 這一點很重要，因為設備小型化代表了電子行業的主導發展軌跡，感測器、無線電、電池和其他元件可以以更小的尺寸製造。 ”
從植物到立體書
為了製造這些設備，Rogers的團隊從另一個熟悉的新奇事物中獲得了靈感：一本兒童立體書。
他的團隊首先在平面幾何結構中製造了飛行結構的前驅體。 然後，他們將這些前體粘在稍微拉伸的橡膠基板上。 當拉伸的基底鬆弛時就會發生受控的屈曲過程，翅膀就會”彈出”從而形成精確定義的三維形狀。
Rogers說道：「這種從2D前體構建3D結構的策略非常強大，因為所有現有的半導體設備都是基於平面佈局構建的。 因此，我們可以利用消費電子行業使用的最先進的材料和製造方法製造出完全標準的、平面的、晶元式的設計。 然後，我們根據類似於立體書的原理將它們轉換成3D飛行形狀。 ”
充滿希望
微型飛行器由兩部分組成：毫米大小的電子功能部件和機翼。 當微型飛行器在空中下落時，它的翅膀跟空氣相互作用從而產生一個緩慢而穩定的旋轉運動。 電子元件的重量則分佈在微飛片中心的較低位置，這樣能防止它失去控制並混亂地墜落到地面。
在演示的例子中，Rogers團隊使用的設備包括感測器、一個可以收集環境能量的電源、記憶體和一個可以將數據無線傳輸到智慧手機、平板電腦或電腦的天線。
在實驗室里，Rogers的團隊裝備了一個設備，其中包含了所有這些元素，它用來檢測空氣中的微粒。 在另一個例子中，他們使用了pH感測器來監測水質並使用了光電探測器來測量不同波長的陽光照射。
Rogers設想，大量的設備可以從飛機或建築上投下並廣泛分散，這樣將能監測化學品洩漏后的環境修復工作或跟蹤不同高度的空氣污染水準。
Rogers表：「大多數監測技術都涉及到大量的儀器設備，目的是在一個感興趣的空間區域的少量位置收集本地數據。 我們設想大量的多種微型感測器可以以高空間密度分佈在大範圍內從而形成無線網路。 ”
消失的行為
但所有的電子垃圾怎麼辦？ 對此，Rogers有一個計劃。 他的實驗室已經開發出了暫態電子器件，這些器件在不再需要后可以無害地溶解在水中。 現在，他的團隊正在使用同樣的材料和技術來建造微型發射器，其能隨著時間的推移在地下水中自然降解和消失。
Rogers表示：「我們使用可降解的聚合物、可堆肥的導體和可溶解的積體電路晶片來製造這種物理上的暫態電子系統，當暴露在水中時它們會自然消失為對環境無害的最終產品。 我們認識到，回收大量的微傳單集合可能是困難的。 為了解決這個問題，這些環境可吸收的版本會自然無害地溶解。 ”